JP2004180431A - ステッピングモータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ステッピングモータの静止角度誤差(理論上のステップ角度に対する実際のステップ動作角度との差)を角度検出器の最小分解能に制御する駆動装置の実現を目的とする。
【構成】外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し,基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において,前記外部指令パルスから正弦波状モータ電流を発生させるための励磁角度を生成する励磁角度生成器と,ロータ回転角度を検出する角度検出器と,ロータ停止時に,励磁角度(励磁位置)と,前記角度検出器で検出したロータ角度(ロータ位置)の差である位置偏差を算出し,該位置偏差を励磁角度に加算することにより,励磁角度を更新してロータ停止位置を補正するように構成する。
【選択図】 図1
【構成】外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し,基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において,前記外部指令パルスから正弦波状モータ電流を発生させるための励磁角度を生成する励磁角度生成器と,ロータ回転角度を検出する角度検出器と,ロータ停止時に,励磁角度(励磁位置)と,前記角度検出器で検出したロータ角度(ロータ位置)の差である位置偏差を算出し,該位置偏差を励磁角度に加算することにより,励磁角度を更新してロータ停止位置を補正するように構成する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は,位置及び速度を制御するためのステッピングモータ駆動回路制御方式,及びステッピングモータの駆動装置に関する。
【0002】
【従来技術】
【特許文献1】特開平07−154995 ステッピングモータの位置決め装置
【特許文献2】特開平10−066393 ステッピングモータ駆動装置
従来,ステッピングモータを駆動する際,パルス幅変調方式(以下PWM方式と記す)のインバータを用いて巻線通電電流を滑らかに変化させるマイクロステップ駆動が振動低減策として一般的である。
【0003】
マイクロステップ駆動は,ステッピングモータのステップ基本角度1ステップ間を等分に分割し,細かく駆動する手法であるが,モータの巻線構造や電流制御回路におけるインバータの相バランスのずれなどから,必ずしもステッピングモータが分割した理想の位置に停止するとは限らない。このような問題点を解決する手法として,「特許文献1」,「特許文献2」に開示された装置がある。
【0004】
図3に示す「特許文献1」の装置は,ステッピングモータ217のロータ位置をエンコーダ219の信号から位置検出回路218により検出し,検出したロータ位置と目標発生回路211から比較器212により偏差量を求め,該偏差量をゼロにするようにコントローラ213で制御する構成となっている。コントローラ213は,比例・積分制御器からなっており,予め電流テーブルROM(メモリ)に格納したマイクロステップ駆動するための最小分解能間を更に細かい精度で制御する装置である。
【0005】
図4に示す「特許文献1」では,予め,モータコントロール部305から指令位置目標を出力してCPU301によって正弦波状のマイクロステップ駆動を1周期分モータ駆動回路302に出力し,ステッピングモータ303を駆動する。
この際,エンコーダ306から検出したロータ位置とモータコントロール部305の指令位置目標とから偏差量を求め,該偏差量からロータの各マイクロステップ停止位置における補正量をメモリに記憶し,それ以降は該メモリに記憶した情報を基に停止位置を補正するものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように,「特許文献1」では,コントローラ213にある偏差量をゼロにするような操作量を出力する比例・積分制御器が必要であり,常時制御器が動作状態である。このため,サーボモータの位置制御のような角度検出器の最小分解能でのハンチングがあり,停止時にハンチングが発生しないステッピングモータの特性が損なわれるという問題があった。
【0007】
また,「特許文献2」では,基本角度1ステップ角度内のマイクロステップ駆動時の理論上停止位置とロータの実際停止位置との差に規則性があることに着目し,停止位置誤差を補正するためのデータを予めメモリに記憶しておくものである。しかしながら,この手段では,モータ特性が変更になる度に補正データを採取し,記憶する必要があり,且つ同特性のモータにおいても,定数のばらつきから記憶した補正値が目的を達成できない等の問題があった。本発明は,ステッピングモータの駆動装置おいて,上記問題を解決し,ロータ停止位置を角度検出器の最小分解能範囲で停止できるように制御することを目的としている。
【0008】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では,外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し,基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において,前記外部指令パルスからモータ巻線電流を正弦波状に変化させ励磁を行う正弦波情報角度を生成するための励磁角度生成器と,ロータ回転角度を検出する角度検出器と,モータ通電電流を検出する電流検出器と,別に外部から与える電流指令値と検出電流値からモータ電流を制御する電流制御器と,該電流制御器出力値からモータに正弦波状の電圧を印加するための電力変換器を有し,ロータ停止時に,励磁角度(励磁位置)と,前記角度検出器で検出したロータ角度(ロータ位置)の差である位置偏差を算出し,該位置偏差を励磁角度に加算することにより,励磁角度を更新してロータ停止位置を補正できるように構成する。
【0009】
【作用】
位置偏差は,励磁角度とロータ停止位置のずれを示しているから,停止判定ののち,励磁角度に位置編差分を補正することで停止位置を励磁角度に近づけることができ,停止位置精度が向上する。また,補正処理は,所定時間または,所定回数だけ補正操作を行った後以降繰り返さないため,連続的な補正とはならず,励磁角度が安定し振動発振を防止することが可能である。
【0010】
【実施例】
図1は本発明の実施例である。
図1において,ステッピングモータ80に対してPWMインバータ70でモータに所定の電圧を印加しモータを回転させる。インバータ70の指令は,電流検出器55,56で検出したモータ相電流iαf,iβfを第1の座標変換器61で回転座標系電流idf,iqfに変換した後,dq座標軸上でd軸電流指令入力端子31,q軸電流指令入力端子32に加えられるd軸電流指令id*,q軸電流指令iq*との差分即ち電流偏差をdq軸独立の電流制御器53,54で増幅し,第2の座標変換器62で回転座標系から固定座標系へ変換したものである。第1の座標変換器61と第2の座標変換器62に入力される補正励磁角度θrは,外部指令パルス入力端子10に加えられる指令パルスから励磁角度生成器11によって生成される励磁角度θ*,角度検出信号θfを入力とし,停止位置補正器20によって出力される。
【0011】
次に本発明の停止位置補正の内容を図2に詳述する。
図2において,停止位置補正器20は,励磁角度生成器11の出力である励磁角度θ*と角度演算器91の出力である角度検出信号θfを判定器24に入力して,外部指令パルス入力端子10に入力される指令が一定期間入力されず,かつ角度検出信号θfの変化が所定値以内にあるときを停止と判断する。更に,判定器24は,停止と判断した場合に,データ保持タイミング信号を出力し,励磁角度θ*と角度検出信号θfから加算器26により位置偏差εを算出し,切換器30を介して位置偏差εをデータ保持器29に保持する。この保持したデータと励磁角度θ*を加算器27によって補正励磁角度θrを得る。停止状態でないと判断した場合は,励磁角度θ*そのものを励磁信号21とする。
【0012】
図6は,2相,基本ステップ角度1.8゜のステッピングモータに分解能4000の角度検出器を搭載し,0.36゜/ステップのマイクロステップ駆動を行う場合の動作説明図である。理論上の停止位置は,図6(a)に示す通り0.36゜の倍数となるが,従来例駆動装置で駆動した場合は,図6(b)に示す動作となり,理論上停止位置とのずれが生じる。本発明駆動装置により,位置補正処理回数を1回として,駆動した場合は,図6(c)に示す動作となり,理論上の停止位置に対して角度検出器の最小分解能である4000分割即ち0.09゜以内の範囲で停止することが可能である。
【0013】
また,前述した停止位置補正を行う停止判断について,更に詳しく説明する。
停止判断処理は,CPUにより一定間隔で行うようにプログラムを構成している(サンプリング処理)が,励磁角度θ*については指令が一定期間入力されない時,即ち該励磁角度値が所定の期間同じ値であることを確認する。角度検出信号θfについても該角度検出信号値が所定値以内にあることを確認し,停止と判断する。また,角度検出信号θf側の判断は,モータの減衰振動の規則性を利用して,ロータが安定的に静止する時間に相当するタイマを起動し判断してもかまわない。
【0014】
尚,本発明の実施例では角度検出器にエンコーダを用いているが例えばレゾルバなどの相当性能のセンサであれば代替が可能である。また,モータ軸直結のセンサである必要もない。また,2相ステッピングモータについて詳述したが,多相ステッピングモータにおいても本発明は適用可能である。
【0015】
【発明の効果】
本発明によるステッピングモータ駆動装置は,オープン駆動時の理論上停止位置に対する実際のステッピングモータロータ停止位置のズレを角度検出器の最小分解能で補正することができる。また,同じく角度検出器の最小分解能で停止可能なサーボモータのように,最小分解能でハンチングすることがない,極めて安定した停止位置を維持することができるという特徴も併せ持つ。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例である。
【図2】本発明の実施例に於ける停止位置補正器詳細説明図である。
【図3】「特許文献1」記載の従来例である。
【図4】「特許文献2」記載の従来例である。
【図5】本発明の動作説明図である。
【符号の説明】
10 外部指令パルス入力端子
11 励磁角度生成器
20 停止位置補正器
24 判定器
26,27 加算器
29 テ゛ータ保持器
30 切換器
31 d軸電流指令入力端子
32 q軸電流指令入力端子
51,52 加算器
53 第1の電流制御器(d軸)
54 第2の電流制御器(q軸)
55 第1の電流検出器(α軸)
56 第2の電流検出器(β軸)
61 第1の座標変換器(αβ/dq座標変換器)
62 第2の座標変換器(dq/αβ座標変換器)
70 PWMインバータ
80 ステッピングモータ
90 エンコーダ
91 角度演算器
211 目標発生回路
212 比較器
213 コントローラ
214 電流指令値発生回路
215 電流テーブルROM
216 モータ駆動回路
217 ステッピングモータ
218 位置検出回路
219 エンコーダ
300 メモリ
301 CPU
302 モータ駆動回路
303 ステッピングモータ
304 位置検出信号
305 モータコントロール部
306 エンコーダ
【産業上の利用分野】
本発明は,位置及び速度を制御するためのステッピングモータ駆動回路制御方式,及びステッピングモータの駆動装置に関する。
【0002】
【従来技術】
【特許文献1】特開平07−154995 ステッピングモータの位置決め装置
【特許文献2】特開平10−066393 ステッピングモータ駆動装置
従来,ステッピングモータを駆動する際,パルス幅変調方式(以下PWM方式と記す)のインバータを用いて巻線通電電流を滑らかに変化させるマイクロステップ駆動が振動低減策として一般的である。
【0003】
マイクロステップ駆動は,ステッピングモータのステップ基本角度1ステップ間を等分に分割し,細かく駆動する手法であるが,モータの巻線構造や電流制御回路におけるインバータの相バランスのずれなどから,必ずしもステッピングモータが分割した理想の位置に停止するとは限らない。このような問題点を解決する手法として,「特許文献1」,「特許文献2」に開示された装置がある。
【0004】
図3に示す「特許文献1」の装置は,ステッピングモータ217のロータ位置をエンコーダ219の信号から位置検出回路218により検出し,検出したロータ位置と目標発生回路211から比較器212により偏差量を求め,該偏差量をゼロにするようにコントローラ213で制御する構成となっている。コントローラ213は,比例・積分制御器からなっており,予め電流テーブルROM(メモリ)に格納したマイクロステップ駆動するための最小分解能間を更に細かい精度で制御する装置である。
【0005】
図4に示す「特許文献1」では,予め,モータコントロール部305から指令位置目標を出力してCPU301によって正弦波状のマイクロステップ駆動を1周期分モータ駆動回路302に出力し,ステッピングモータ303を駆動する。
この際,エンコーダ306から検出したロータ位置とモータコントロール部305の指令位置目標とから偏差量を求め,該偏差量からロータの各マイクロステップ停止位置における補正量をメモリに記憶し,それ以降は該メモリに記憶した情報を基に停止位置を補正するものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように,「特許文献1」では,コントローラ213にある偏差量をゼロにするような操作量を出力する比例・積分制御器が必要であり,常時制御器が動作状態である。このため,サーボモータの位置制御のような角度検出器の最小分解能でのハンチングがあり,停止時にハンチングが発生しないステッピングモータの特性が損なわれるという問題があった。
【0007】
また,「特許文献2」では,基本角度1ステップ角度内のマイクロステップ駆動時の理論上停止位置とロータの実際停止位置との差に規則性があることに着目し,停止位置誤差を補正するためのデータを予めメモリに記憶しておくものである。しかしながら,この手段では,モータ特性が変更になる度に補正データを採取し,記憶する必要があり,且つ同特性のモータにおいても,定数のばらつきから記憶した補正値が目的を達成できない等の問題があった。本発明は,ステッピングモータの駆動装置おいて,上記問題を解決し,ロータ停止位置を角度検出器の最小分解能範囲で停止できるように制御することを目的としている。
【0008】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では,外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し,基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において,前記外部指令パルスからモータ巻線電流を正弦波状に変化させ励磁を行う正弦波情報角度を生成するための励磁角度生成器と,ロータ回転角度を検出する角度検出器と,モータ通電電流を検出する電流検出器と,別に外部から与える電流指令値と検出電流値からモータ電流を制御する電流制御器と,該電流制御器出力値からモータに正弦波状の電圧を印加するための電力変換器を有し,ロータ停止時に,励磁角度(励磁位置)と,前記角度検出器で検出したロータ角度(ロータ位置)の差である位置偏差を算出し,該位置偏差を励磁角度に加算することにより,励磁角度を更新してロータ停止位置を補正できるように構成する。
【0009】
【作用】
位置偏差は,励磁角度とロータ停止位置のずれを示しているから,停止判定ののち,励磁角度に位置編差分を補正することで停止位置を励磁角度に近づけることができ,停止位置精度が向上する。また,補正処理は,所定時間または,所定回数だけ補正操作を行った後以降繰り返さないため,連続的な補正とはならず,励磁角度が安定し振動発振を防止することが可能である。
【0010】
【実施例】
図1は本発明の実施例である。
図1において,ステッピングモータ80に対してPWMインバータ70でモータに所定の電圧を印加しモータを回転させる。インバータ70の指令は,電流検出器55,56で検出したモータ相電流iαf,iβfを第1の座標変換器61で回転座標系電流idf,iqfに変換した後,dq座標軸上でd軸電流指令入力端子31,q軸電流指令入力端子32に加えられるd軸電流指令id*,q軸電流指令iq*との差分即ち電流偏差をdq軸独立の電流制御器53,54で増幅し,第2の座標変換器62で回転座標系から固定座標系へ変換したものである。第1の座標変換器61と第2の座標変換器62に入力される補正励磁角度θrは,外部指令パルス入力端子10に加えられる指令パルスから励磁角度生成器11によって生成される励磁角度θ*,角度検出信号θfを入力とし,停止位置補正器20によって出力される。
【0011】
次に本発明の停止位置補正の内容を図2に詳述する。
図2において,停止位置補正器20は,励磁角度生成器11の出力である励磁角度θ*と角度演算器91の出力である角度検出信号θfを判定器24に入力して,外部指令パルス入力端子10に入力される指令が一定期間入力されず,かつ角度検出信号θfの変化が所定値以内にあるときを停止と判断する。更に,判定器24は,停止と判断した場合に,データ保持タイミング信号を出力し,励磁角度θ*と角度検出信号θfから加算器26により位置偏差εを算出し,切換器30を介して位置偏差εをデータ保持器29に保持する。この保持したデータと励磁角度θ*を加算器27によって補正励磁角度θrを得る。停止状態でないと判断した場合は,励磁角度θ*そのものを励磁信号21とする。
【0012】
図6は,2相,基本ステップ角度1.8゜のステッピングモータに分解能4000の角度検出器を搭載し,0.36゜/ステップのマイクロステップ駆動を行う場合の動作説明図である。理論上の停止位置は,図6(a)に示す通り0.36゜の倍数となるが,従来例駆動装置で駆動した場合は,図6(b)に示す動作となり,理論上停止位置とのずれが生じる。本発明駆動装置により,位置補正処理回数を1回として,駆動した場合は,図6(c)に示す動作となり,理論上の停止位置に対して角度検出器の最小分解能である4000分割即ち0.09゜以内の範囲で停止することが可能である。
【0013】
また,前述した停止位置補正を行う停止判断について,更に詳しく説明する。
停止判断処理は,CPUにより一定間隔で行うようにプログラムを構成している(サンプリング処理)が,励磁角度θ*については指令が一定期間入力されない時,即ち該励磁角度値が所定の期間同じ値であることを確認する。角度検出信号θfについても該角度検出信号値が所定値以内にあることを確認し,停止と判断する。また,角度検出信号θf側の判断は,モータの減衰振動の規則性を利用して,ロータが安定的に静止する時間に相当するタイマを起動し判断してもかまわない。
【0014】
尚,本発明の実施例では角度検出器にエンコーダを用いているが例えばレゾルバなどの相当性能のセンサであれば代替が可能である。また,モータ軸直結のセンサである必要もない。また,2相ステッピングモータについて詳述したが,多相ステッピングモータにおいても本発明は適用可能である。
【0015】
【発明の効果】
本発明によるステッピングモータ駆動装置は,オープン駆動時の理論上停止位置に対する実際のステッピングモータロータ停止位置のズレを角度検出器の最小分解能で補正することができる。また,同じく角度検出器の最小分解能で停止可能なサーボモータのように,最小分解能でハンチングすることがない,極めて安定した停止位置を維持することができるという特徴も併せ持つ。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例である。
【図2】本発明の実施例に於ける停止位置補正器詳細説明図である。
【図3】「特許文献1」記載の従来例である。
【図4】「特許文献2」記載の従来例である。
【図5】本発明の動作説明図である。
【符号の説明】
10 外部指令パルス入力端子
11 励磁角度生成器
20 停止位置補正器
24 判定器
26,27 加算器
29 テ゛ータ保持器
30 切換器
31 d軸電流指令入力端子
32 q軸電流指令入力端子
51,52 加算器
53 第1の電流制御器(d軸)
54 第2の電流制御器(q軸)
55 第1の電流検出器(α軸)
56 第2の電流検出器(β軸)
61 第1の座標変換器(αβ/dq座標変換器)
62 第2の座標変換器(dq/αβ座標変換器)
70 PWMインバータ
80 ステッピングモータ
90 エンコーダ
91 角度演算器
211 目標発生回路
212 比較器
213 コントローラ
214 電流指令値発生回路
215 電流テーブルROM
216 モータ駆動回路
217 ステッピングモータ
218 位置検出回路
219 エンコーダ
300 メモリ
301 CPU
302 モータ駆動回路
303 ステッピングモータ
304 位置検出信号
305 モータコントロール部
306 エンコーダ
Claims (3)
- 外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し,基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において,前記外部指令パルスから正弦波状モータ電流を発生させるための励磁角度を生成する励磁角度生成器と,ロータ回転角度を検出する角度検出器と,ロータ停止時に,励磁角度(励磁位置)と,前記角度検出器で検出したロータ角度(ロータ位置)の差である位置偏差を算出し,該位置偏差を励磁角度に加算することにより,励磁角度を更新してロータ停止位置を補正するように構成したステッピングモータ駆動装置。
- 上記駆動装置において,励磁角度の更新処理は,所定時間継続したのち,励磁角度更新処理を停止するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
- 上記駆動装置において,励磁角度の更新処理は,所定回数継続したのち,励磁角度更新処理を停止するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002344493A JP2004180431A (ja) | 2002-11-27 | 2002-11-27 | ステッピングモータ駆動装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2004180431A true JP2004180431A (ja) | 2004-06-24 |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004180431A (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN101931356A (zh) * | 2009-06-23 | 2010-12-29 | 三洋电机株式会社 | 驱动电路 |
CN103414409A (zh) * | 2013-08-14 | 2013-11-27 | 浙江工业大学 | 基于曲线拟合的步进电机预细分驱动方法 |
CN104052352A (zh) * | 2013-03-12 | 2014-09-17 | 佳能株式会社 | 用于驱动步进马达的马达驱动设备及其控制方法 |
EP2477323A3 (en) * | 2011-01-12 | 2017-06-14 | Nidec Servo Corporation | Drive circuit and drive method of a stepping motor |
JP2020204412A (ja) * | 2019-06-14 | 2020-12-24 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 吸収式冷凍機 |
-
2002
- 2002-11-27 JP JP2002344493A patent/JP2004180431A/ja active Pending
Cited By (7)
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